Khóa luận: Nghiên cứu Tổng hợp Lansoprazol Sulfon và Sulfid - Hoàng Thị Thảo

Tài liệu chi tiết về phương pháp tổng hợp, tinh chế Lansoprazol Sulfon và Sulfid. Cung cấp quy trình thực nghiệm, kết quả và phân tích phổ.

• Tác giả: Hoàng Thị Thảo
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Văn Giang
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược sĩ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp và tinh chế lansoprazol sulfon và lansoprazol sulfid
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Lansoprazol Và Các Tạp Chất

Lansoprazol là một thuốc ức chế bơm proton (PPI) được sử dụng rộng rãi trong điều trị các bệnh về dạ dày và ruột. Trong quá trình sản xuất và bảo quản, lansoprazol dễ bị oxy hóa, tạo ra các tạp chất quan trọng cần được kiểm soát chặt chẽ. Hai tạp chất chính là lansoprazol sulfid (tạp C) và lansoprazol sulfon (tạp B), được hình thành từ các phản ứng oxy hóa của nhóm sulfid trong cấu trúc hóa học. Theo tiêu chuẩn Dược điển Việt Nam V, BP 2023 và USP 2024, việc kiểm soát các tạp chất này là bắt buộc để đảm bảo chất lượng và an toàn của sản phẩm dược phẩm. Nghiên cứu tổng hợp và tinh chế các tạp chất này giúp phát triển phương pháp kiểm định hiệu quả và xây dựng các điều kiện sản xuất tối ưu.

1.1. Cấu Trúc Hóa Học Của Lansoprazol

Lansoprazol có công thức phân tử C₁₆H₁₄F₃N₃O₂S, chứa một nhóm benzimidazol thay thế kết hợp với nhóm sulfanyl. Cấu trúc này tạo nên tính chất dễ bị oxy hóa, đặc biệt ở nguyên tử lưu huỳnh (S). Nhóm sulfanyl này là vị trí quan trọng để các phản ứng oxy hóa xảy ra, dẫn đến hình thành lansoprazol sulfid và lansoprazol sulfon.

1.2. Tiêu Chuẩn Tạp Chất Trong Dược Điển

Theo dược điển quốc tế (BP 2023, USP 2024), giới hạn của lansoprazol sulfid là tối đa 0,5%, trong khi lansoprazol sulfon không vượt quá 0,3%. Các tiêu chuẩn này được đặt ra nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn dược học của sản phẩm. Việc phát triển phương pháp phân tích HPLC là cần thiết để kiểm soát các tạp chất này trong quy trình sản xuất.

II. Lansoprazol Sulfid Tạp Chất C Và Phương Pháp Tổng Hợp

Lansoprazol sulfid (tạp C) là sản phẩm oxy hóa từng phần của lansoprazol, được hình thành khi nhóm sulfanyl (-SH) bị oxy hóa thành sulfoxid (-S(O)-). Tạp chất này có thể được tạo ra bởi các tác nhân oxy hóa yếu như hydrogen peroxide (H₂O₂) hoặc các ion kim loại trong môi trường tự nhiên. Nguồn gốc phát sinh của lansoprazol sulfid bao gồm: (1) oxy hóa không hoàn toàn trong quy trình tổng hợp; (2) phân hủy trong quá trình bảo quản do tác động của ánh sáng, không khí và độ ẩm; (3) tác dụng của các chất oxy hóa có trong các chất phụ gia hoặc dung môi. Để tổng hợp lansoprazol sulfid dùng làm tiêu chuẩn, các phương pháp chính bao gồm: sử dụng H₂O₂ 30% ở nhiệt độ phòng hoặc tác nhân oxy hóa m-CPBA. Các điều kiện tối ưu cần được khảo sát để đạt hiệu suất cao.

2.1. Cấu Trúc Và Nguồn Gốc Phát Sinh

Lansoprazol sulfid có công thức C₁₆H₁₄F₃N₃O₃S, với sự khác biệt là nhóm sulfid bị oxy hóa thành sulfoxid. Trong quá trình bảo quản dài hạn, lansoprazol dễ dàng bị oxy hóa không mong muốn do tác động của oxy trong không khí và ánh sáng tự nhiên.

2.2. Phương Pháp Tổng Hợp Tạp C

Phương pháp hiệu quả nhất sử dụng H₂O₂ 30% trong dung môi methanol hoặc ethanol. Phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ phòng trong 2-4 giờ, cho hiệu suất 70-85%. Sau tổng hợp, cần thực hiện tinh chế bằng sắc ký cột để loại bỏ tạp chất và thu được sản phẩm tinh khiết với độ sạch ≥95%.

III. Lansoprazol Sulfon Tạp Chất B Và Quá Trình Tinh Chế

Lansoprazol sulfon (tạp B) là sản phẩm oxy hóa hoàn toàn của lansoprazol, khi nhóm sulfanyl được oxy hóa thành sulfon (-SO₂-). Đây là tạp chất quan trọng cần được kiểm soát vì nó là bằng chứng của quá trình phân hủy sâu hơn. Lansoprazol sulfon có thể được hình thành từ: (1) oxy hóa quá mức trong quy trình sản xuất; (2) tiếp tục oxy hóa của lansoprazol sulfid; (3) tác dụng của các tác nhân oxy hóa mạnh như HNO₃, H₂O₂ nồng đặc hoặc acid meta-cloroperoxybenzoic (m-CPBA). Để tổng hợp lansoprazol sulfon, sử dụng HNO₃ loãng hoặc m-CPBA trong dung môi chloroform hoặc dichloromethane. Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ 0-5°C hoặc 25°C tùy tác nhân oxy hóa, cho hiệu suất 60-80%. Sau tổng hợp, cần tinh chế bằng sắc ký cột rồi kết tinh để đạt độ sạch cao.

3.1. Cấu Trúc Và Nguồn Gốc Lansoprazol Sulfon

Lansoprazol sulfon có công thức C₁₆H₁₄F₃N₃O₄S, với nhóm lưu huỳnh ở dạng sulfon (SO₂). Đây là sản phẩm phân hủy mạnh nhất trong chuỗi oxy hóa, thường xuất hiện khi bảo quản trong điều kiện không tốt hoặc quá trình sản xuất không được kiểm soát tốt.

3.2. Phương Pháp Tổng Hợp Và Tinh Chế

Sử dụng m-CPBA hoặc HNO₃ loãng với tỷ lệ mol phù hợp. Phản ứng trong dichloromethane hoặc chloroform ở 0-5°C cho hiệu suất tối ưu. Tinh chế qua sắc ký cột silica gel và kết tinh lại từ ethyl acetate hoặc methanol để thu sản phẩm tinh khiết với độ sạch ≥98%, đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn dược phẩm.

IV. Ứng Dụng Và Ý Nghĩa Của Nghiên Cứu

Việc nghiên cứu tổng hợp và tinh chế lansoprazol sulfid và lansoprazol sulfon có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Trước hết, các tạp chất được tổng hợp dùng làm chất chuẩn độc lập, giúp phát triển phương pháp phân tích HPLC chính xác để kiểm định chất lượng lansoprazol trong quy trình sản xuất. Thứ hai, nghiên cứu này giúp xác định các điều kiện sản xuất tối ưu để hạn chế việc hình thành những tạp chất này, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm và tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế (BP, USP, EP). Thứ ba, hiểu rõ cơ chế oxy hóa của lansoprazol giúp các nhà sản xuất cải tổ điều kiện bảo quản, đóng gói để giảm thiểu sự phân hủy trong thời gian bảo quản. Cuối cùng, kiến thức về các tạp chất này hỗ trợ phát triển các quy trình kiểm định nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và bảo đảm an toàn cho người sử dụng thuốc.

4.1. Ứng Dụng Trong Kiểm Định Chất Lượng

Các chất chuẩn lansoprazol sulfid và lansoprazol sulfon được sử dụng trong phương pháp HPLC để xác định hàm lượng chính xác. Các phương pháp này giúp phát hiện và định lượng tạp chất ở mức rất thấp (ppb), đảm bảo kiểm soát chất lượng theo tiêu chuẩn dược điển quốc tế.

4.2. Ý Nghĩa Phát Triển Công Nghiệp Dược

Nghiên cứu này hỗ trợ ngành công nghiệp dược Việt Nam nâng cao năng lực sản xuất và kiểm định chất lượng lansoprazol theo chuẩn quốc tế. Giúp các nhà sản xuất tối ưu hóa quy trình sản xuất, điều kiện bảo quản và đóng gói, từ đó hạn chế tạp chất và nâng cao giá trị sản phẩm trên thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Lansoprazol là một hoạt chất thuộc nhóm ức chế bơm proton (Proton Pump Inhibitor - PPI), được sử dụng rộng rãi trong điều trị các bệnh lý do tăng tiết acid như viêm loét dạ dày - tá tràng, trào ngược dạ dày - thực quản và hội chứng Zollinger - Ellison [1]. Với cấu trúc chứa nhân benzimidazol và nhóm sulfoxid đặc trưng, lansoprazol tác động bằng cách gắn kết không hồi phục với enzym H⁺/K⁺-ATPase tại tế bào thành dạ dày, từ đó ức chế mạnh quá trình tiết acid dịch vị [1], [2]. Tuy nhiên, trong quá trình tổng hợp lansoprazol ở quy mô công nghiệp, đã ghi nhận sự hình thành của một số tạp chất liên quan. Trong đó, hai tạp chất quan trọng và phổ biến là lansoprazol sulfid và lansoprazol sulfon [3].

Lansoprazol sulfid có thể tồn dư nếu quá trình oxy hóa chưa hoàn toàn, trong khi lansoprazol sulfon là sản phẩm oxy hóa quá mức của nhóm sulfoxid [4]. Sự hiện diện của các tạp chất này, đặc biệt là sulfid và sulfon, có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ tinh khiết, độ ổn định cũng như tính an toàn và hiệu quả điều trị của thuốc. Nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề này, các tổ chức quản lý dược phẩm trên thế giới đã đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt trong việc phát hiện và kiểm soát tạp chất trong dược chất, bởi tính an toàn của bất kỳ sản phẩm thuốc nào không chỉ phụ thuộc vào bản thân hoạt chất mà còn chịu ảnh hưởng từ các tạp chất tồn dư. Theo hướng dẫn của ICH Q3A(R2), việc xác định, định lượng và giới hạn các tạp chất liên quan là bắt buộc trong quá trình phát triển và sản xuất dược phẩm [5].

Do đó, việc nghiên cứu tổng hợp và xác định các tạp chất này không chỉ hỗ trợ kiểm nghiệm mà còn góp phần quan trọng trong việc thiết lập tiêu chuẩn chất lượng cho lansoprazol. Hiện nay tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu về tạp chất liên quan đến lansoprazol chưa được công bố nhiều, trong khi việc kiểm nghiệm chất lượng thuốc là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả điều trị. Đặc biệt, việc nghiên cứu và kiểm soát các tạp chất như sulfid và sulfon trong quy trình sản xuất và kiểm nghiệm hiện vẫn còn chưa đầy đủ. Do đó, để góp phần trong chiến lược thiết lập được 2 tạp chuẩn này ứng dụng trong kiểm nghiệm tại Việt Nam, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và tinh chế lansoprazol sulfon và lansoprazol sulfid”, với 2 mục tiêu: - Tổng hợp và tinh chế được lansoprazol sulfid (tạp C) từ 2-cloromethyl-3-methyl- 4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin hydroclorid và 2-mercaptobenzimidazol.

- Tổng hợp và tinh chế được lansoprazol sulfon (tạp B) từ lansoprazol và từ lansoprazol sulfid. Tổng quan về các tạp chất của lansoprazol 1. Cấu trúc hóa học - Cấu trúc hóa học (Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của lansoprazol - Tên khoa học: 2-(((3-methyl-4-(2,2,2-trifluoroethoxy)pyridin-2-yl)methyl) sulfinyl)-1H-benzimidazol. - Công thức phân tử: C16H14F3N3O2S.

- Khối lượng phân tử: 369,4 g/mol. Tính chất lý hóa - Cảm quan: dạng bột màu trắng hay nâu nhạt, tonc ~ 178 - 182°C. - Độ tan: tan trong ethanol tuyệt đối, rất khó tan trong acetonitril, không tan trong nước. - Hợp chất phân hủy trong dung dịch nước, tốc độ phân hủy tăng khi pH giảm.

Ở 25°C, t1/2 lần lượt là khoảng 0,5 và 18h ở pH 5,0 và pH 7,0 [6], [7]. Tiêu chuẩn tạp chất liên quan của chuyên luận lansoprazol trong dược điển Chuyên luận nguyên liệu và một số dạng bào chế của lansoprazol trong DĐVN V, DĐVN V - bản bổ sung, BP 2023, USP 2024 thường có các chỉ tiêu: Tính chất, định tính, định lượng và thử tạp chất liên quan, trong đó chỉ tiêu thử tạp chất liên quan cần xác định các tạp của lansoprazol được nêu ra ở Bảng 1.1 Các tạp của lansoprazol theo DĐVN V, BP 2023, USP 2024 Tên Công thức cấu tạo USP DĐVN BP 2023 2024 V A A 2 Tên Công thức cấu tạo USP DĐVN BP 2023 2024 V B B A C C B D E F 1. Tổng quan về lansoprazol sulfid (tạp C) 1. Cấu trúc hóa học - Cấu trúc hóa học (Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của lansoprazol sulfid - Tên khoa học: 2-((3-methyl-4-(2,2,2-trifluoroethoxy)pyridin-2-yl)methyl sulfanyl)-1H-benzimidazol.

- Công thức phân tử: C16H14F3N3OS. - Khối lượng phân tử: 353,4 g/mol. 3 - Thành phần khối lượng các nguyên tử: C (54,38%); H (3,90%); F (16,13%); N (11,89%); O (3,53%); S (9,07%). Tính chất lý hóa - Lansoprazol sulfid là chất rắn kết tinh, có dạng bột màu trắng đến cam nhạt.

- Nhiệt độ nóng chảy 149 - 150°C. - Độ tan: hơi tan trong methanol và DMSO [11], [12]. Nguồn gốc phát sinh tạp Để tổng hợp lansoprazol các nhà khoa học đã tiến hành oxy hóa hợp chất trung gian sulfid [3], [4]. Vì vậy bất kỳ lượng lansoprazol sulfid còn dư sau phản ứng đều được coi là tạp chất cần loại bỏ.

Các phương pháp tổng hợp lansoprazol sulfid (tạp C) Lansoprazol sulfid (tạp C) là chất trung gian trong quá trình tổng hợp lansoprazol đồng thời cũng là một tạp chất có thể xuất hiện trong quá trình tổng hợp này. Lansoprazol sulfid mang cấu trúc của nhân benzimidazol liên kết với nhóm pyridin thông qua cầu nối thioether (C-S-C). Dựa trên cấu trúc phân tích (Sơ đồ 1.1), lansoprazol sulfid có thể hình thành thông qua phản ứng S-alkyl hóa giữa 2-mercaptobenzimidazol và 2- (cloromethyl)-3-methyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin hydroclorid.1 Sơ đồ phân tích tổng hợp ngược phân tử tạp C 1. Các phương pháp tổng hợp 2-(cloromethyl)-3-methyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy) pyridin hydroclorid (L6) từ 2,3-lutidin (L1).

2-cloromethyl-3-methyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin hydroclorid là hợp chất trung gian quan trọng trong tổng hợp các dẫn xuất pyridin có ứng dụng dược phẩm, đặc biệt trong tổng hợp lansoprazol. Nhiều nghiên cứu và bằng sáng chế đã được công bố nhằm xây dựng quy trình tổng hợp hiệu quả, chọn lọc và phù hợp với quy mô công nghiệp. Dưới đây là một số phương pháp tổng hợp (L6) đã được công bố. 4 ❖ Phương pháp của nhóm tác giả Berta Kotar - Jordan và cộng sự (2006) (Sơ đồ 1.2 Quy trình tổng hợp (L6) của Berta Kotar - Jordan và cộng sự Quy trình tổng hợp 2-cloromethyl-3-methyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin hydroclorid đã được báo cáo từ năm 2006 bởi nhóm tác giả Berta Kotar - Jordan [13].

Quy trình gồm 6 phản ứng đi từ nguyên liệu ban đầu là 2,3-lutidin (L1). Phản ứng 1: oxy hóa (L1) bằng magie monoperoxyphthalat hexahydrat. Phản ứng 2: nitro hóa (L2) bằng KNO3 ở 80 - 85°C thu được 2,3-dimethyl-4- nitropyridin-N-oxid (L3). Phản ứng 3: Phản ứng thế với tác nhân là CF3CH2OH, kali tert-butoxid, xúc tác PdCl2 thu được 2,3-dimethyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin-N-oxid (L4).

Phản ứng 4: Acyl hóa (L4) bằng anhydrid acetic trong 4-dimethylaminopyridin ở 90 - 95°C thu được 2-acetoxymethyl-3-methyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin (L5’). Phản ứng 5: Thủy phân (L5’) bằng NaOH 33% ở 25 - 30°C thu được 2- hydroxymethyl-3-methyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin (L5). Phản ứng 6: Clo hóa (L5) bằng thionyl clorid, dung môi là toluen tạo 2- cloromethyl-3-methyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin hydroclorid (L6). Nhận xét: Phản ứng cho hiệu suất cao và sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao, đáp ứng yêu cầu cho các ứng dụng tiếp theo.

Tuy nhiên, quy trình vẫn còn tồn tại một số hạn chế: quá trình tổng hợp phức tạp, bao gồm nhiều bước phản ứng với điều kiện nghiêm ngặt; yêu cầu sử dụng xúc tác PdCl₂ có chi phí cao; đồng thời sử dụng toluen làm dung môi - một hợp chất dễ bay hơi và độc hại, tiềm ẩn nguy cơ ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người trong quá trình vận hành ở quy mô lớn. 5 ❖ Phương pháp của nhóm tác giả Wang Hongming và cộng sự (2014) (Sơ đồ 1.3 Quy trình tổng hợp (L6) của Wang Hongming và cộng sự Quy trình tổng hợp 2-cloromethyl-3-methyl-4-(2,2,2-trifluoroethoxy)pyridin hydroclorid đã được báo cáo từ năm 2014 bởi nhóm tác giả Wang Hongming [14]. Quy trình tổng hợp gồm 5 phản ứng đi từ nguyên liệu ban đầu là 2,3-lutidin (L1). Phản ứng 1: oxy hóa (L1) bằng H2O2/CH3COOH với xúc tác H2SO4 ở 80 - 110°C thu được 2,3-dimethylpyridin-N-oxid (L2).

Phản ứng 2: Nitro hóa (L2) bằng HNO3 (65 - 68%)/H2SO4 (98%) ở 70 - 80°C thu được 2,3-dimethyl-4-nitropyridin-N-oxid (L3). Phản ứng 3: Phản ứng thế với tác nhân là CF3CH2OH, K2CO3, dung môi acetonitril, nước, xúc tác chuyển pha thu được 2,3-dimethyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin-N-oxid (L4). Phản ứng 4: Acyl hóa (L4) bằng anhydrid acetic ở 90 - 105°C sau đó thủy phân bằng dung dịch NaOH ở 60°C thu được 2-hydroxy-3-methyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy) pyridin (L5). Phản ứng 5: Clo hóa (L5) bằng thionyl clorid, dung môi là DCM ở -10 - 10°C tạo 2-cloromethyl-3-methyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin hydroclorid (L6).

Nhận xét: So với quy trình của nhóm nghiên cứu Berta Kotar - Jordan và cộng sự, quy trình tổng hợp này đơn giản hơn, sử dụng các nguyên liệu phổ biến, giá thành thấp và dễ tiếp cận. Ở phản ứng tạo (L5), tác giả chọn dung môi DCM - dung môi có độc tính thấp hơn toluen nhằm giảm thiểu rủi ro cho quá trình. Các phương pháp tổng hợp và tinh chế tạp C (L8) ❖ Phương pháp của Singh và các cộng sự (2001) (Sơ đồ 1.4 Phản ứng tổng hợp tạp C của Singh và các cộng sự 6 Singh và cộng sự (2001) đã đề xuất phương pháp sử dụng Na₂CO₃ làm base trong dung môi methanol, thu được hiệu suất phản ứng 88%. Nhận xét: Na₂CO₃ là base yếu hơn so với NaOH.

Đồng thời, methanol là dung môi phổ biến, có khả năng hòa tan tốt các chất phản ứng, giúp phản ứng diễn ra hiệu quả. Tuy nhiên, do tính base yếu hơn, hiệu suất thu được có thể thấp hơn so với việc sử dụng base mạnh như NaOH. ❖ Phương pháp của Stefano và các cộng sự (2004) (Sơ đồ 1.5 Phản ứng tổng hợp tạp C của Stefano và các cộng sự Trong nghiên cứu của Stefano và các cộng sự (2004) đã kết hợp 2- mercaptobenzimidazol và 2-cloromethyl-3-methyl-4-(2,2,2-trifloroethoxy)pyridin hydroclorid sử dụng dung môi methanol và base là dung dịch NaOH 30%, thu được hiệu suất cao 97% [16]. Nhận xét: Quy trình có ưu điểm nổi bật là điều kiện phản ứng đơn giản, sử dụng dung môi phổ biến (methanol), nhưng vẫn đạt hiệu suất rất cao (97%).

Điều này cho thấy phản ứng diễn ra hiệu quả, ít tạp và phù hợp để áp dụng trên quy mô lớn trong tổng hợp thực tế. Tuy nhiên, methanol là dung môi dễ bay hơi và độc hại cần đảm bảo an toàn khi làm thực nghiệm. ❖ Phương pháp của Reddy và các cộng sự (2008) (Sơ đồ 1.6 Phản ứng tổng hợp tạp C của Reddy và các cộng sự Reddy và cộng sự đã thay đổi dung môi phản ứng thành hỗn hợp aceton/nước (1 : 1) và vẫn sử dụng base là NaOH, thu được hiệu suất 80% [3]. Nhận xét: Việc sử dụng hỗn hợp dung môi aceton/nước có thể mang lại ưu điểm về tính thân thiện môi trường và khả năng hòa tan các chất phản ứng khác nhau, tuy nhiên hiệu suất thấp hơn so với phương pháp của Stefano và các cộng sự (2008) cho thấy khả năng tối ưu hóa điều kiện phản ứng vẫn chưa đạt mức cao nhất.